謝昕 楊欣

20世紀(jì)50年代，我國的航天事業(yè)開始起步。我國于1970年4月24日發(fā)射了新中國成立以來的第一顆人造地球衛(wèi)星，成為繼蘇聯(lián)、美國、法國、日本之后世界上第5個(gè)獨(dú)立發(fā)射人造衛(wèi)星的國家，從此開啟了航天大國夢。隨著1999年“神州一號”的發(fā)射升空，到2003年“神州五號”載人航天飛船的成果發(fā)射和安全返航，再到2020年“嫦娥五號”奔月取土，安全返回地球，我國的航天科技取得了一個(gè)又一個(gè)輝煌成績。與此同時(shí)，返回艙、運(yùn)載器的熱防護(hù)性能也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，而防熱隔熱材料是飛行器最重要的關(guān)鍵材料之一。

載人飛船的返回艙、嫦娥五號的運(yùn)載器等，在進(jìn)入大氣層時(shí)，由于飛行器飛行速度非常之快，在與大氣層之間的摩擦過程中會(huì)導(dǎo)致飛行器表面產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，發(fā)生熱損傷；同時(shí)，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)作為返回艙3%～50%的質(zhì)量來源，其熱效率對于航天器的整體性能也會(huì)產(chǎn)生極為重要的影響[1]。因而，航天器的熱防護(hù)材料，特別是載人航天器的防熱材料對于實(shí)現(xiàn)載人航天有著關(guān)鍵影響，安全、耐高溫、輕質(zhì)等性能是熱防護(hù)材料所追求的目標(biāo)。本文以專利分析的方法，對中國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的起步、發(fā)展過程、申請人分布等方面進(jìn)行分析。

1 申請情況整體分析

本文選擇中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）為檢索基礎(chǔ)，通過分類號、關(guān)鍵詞的組合檢索，獲得相關(guān)的航天器熱防護(hù)材料領(lǐng)域的專利申請870篇（檢索年至2021年2月5日已公開的專利申請），由于2021年申請數(shù)據(jù)不完整，因而2021年的申請數(shù)據(jù)不計(jì)入此次專利申請量的分析中。航天器熱防護(hù)材料的專利申請量的總體趨勢分步見表1。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的中國專利申請量普遍符合逐年遞增的趨勢，在2005年前專利申請量極少，屬于個(gè)位數(shù)的存在，于2011年開始國內(nèi)關(guān)于航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的相關(guān)專利申請量迅速增長，到了2016年后出現(xiàn)井噴式增長，國內(nèi)企業(yè)高校的年申請總量達(dá)到了100件以上，特別是2019年國內(nèi)申請量達(dá)到了114件，表1中顯示2020年航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的申請量為83件，與2019年的申請量相比，比例明顯偏低，造成上述數(shù)據(jù)的原因是截至是檢索日（2021年2月5日），存在部分申請未滿18個(gè)月還未公開。國內(nèi)關(guān)于航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的相關(guān)專利申請量迅速增長與中國的經(jīng)濟(jì)、科技的騰飛和對航天事業(yè)的重視是密不可分，國內(nèi)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的相關(guān)專利申請量的便體現(xiàn)出了我國自建國以來從一窮二白到經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、文化的全面騰飛的進(jìn)程。對于國外的航天器熱防護(hù)材料技術(shù)在中國的申請量比例比較少的原因在于，航空航天技術(shù)屬于各國機(jī)密技術(shù)，因而在他國進(jìn)行大量的申請和公開的情況比較少見。

2000年以后，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，飛行器飛行的馬赫數(shù)的不斷提升，航天航空飛行器所需要承受溫度和熱沖擊也隨之越來越高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2006年8月2日提交了專利公開號為CN1908066A[2]的專利申請，公開了一種以石英纖維和硅樹脂為主體的復(fù)合材料及其制備方法。通過對石英纖維表面進(jìn)行380～420℃、氮?dú)猸h(huán)境中停留8～12min的預(yù)處理，而后將表面預(yù)處理的石英纖維浸膠獲得涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維，最終將涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維于硅樹脂混合模壓獲得硅樹脂與涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維復(fù)合材料。該方法很好地解決了由于石英纖維表面和硅樹脂中均含有較多的羥基，因此在高溫條件下，石英纖維與硅樹脂復(fù)合材料的界面處羥基間會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，脫水，導(dǎo)致石英纖維的增強(qiáng)效果下降的問題。2019年10月23日，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院與航天材料及工藝研究所共同申請了公開號為CN110804274A[3]的專利申請，公開了一種基于間隔結(jié)構(gòu)織物增強(qiáng)體的輕質(zhì)防隔熱復(fù)合材料及其制備方法，復(fù)合材料中包括增強(qiáng)體和基體。該防隔熱擦了具有類似于面—芯功能的梯度結(jié)構(gòu)，即面層為致密材料主要提供防熱燒蝕和承載能力，中芯為多孔材料主要起到降低密度和隔熱的作用，實(shí)現(xiàn)了隔防熱一體，導(dǎo)熱率低、抗彎曲強(qiáng)度高的特點(diǎn)?？梢姡S著時(shí)間的推移，國內(nèi)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的研究和專利申請向著多元化材料配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料改進(jìn)等不斷的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。

2 申請人分布和主要申請人

圖1為我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的申請人的屬性分布，由圖1可知，企業(yè)和個(gè)人類申請人總體占比為8%，不足10%，院校類申請人占比52%，航天科研院所申請人占比40%，可見，就我國該領(lǐng)域的專利申請而言，高等院校類申請人和航天科研院所類申請人占據(jù)了主導(dǎo)地位，是申請的主體，由于行業(yè)的特殊性，對于科研經(jīng)費(fèi)和科研人員的素質(zhì)提出了較高的要求，從而導(dǎo)致企業(yè)和個(gè)人很難對該領(lǐng)域進(jìn)行探索，為航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的進(jìn)步貢獻(xiàn)力量；隨著科研企業(yè)的資金和科研實(shí)力的不斷壯大，中華民族為中華民族偉大復(fù)興的不斷努力，相信未來會(huì)有越來越多的商業(yè)企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域，為航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)展和研究做出巨大的貢獻(xiàn)。

圖1還列出了我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)主要的申請人，院校類申請人排名前3位的分別為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（56件）、中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)（39件）以及西北工業(yè)大學(xué)（26件），分別在院校類申請人申請量占比12.3%、8.6%和5.7%；航天科研院所類申請人排名前3位的分別為中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究所（73件）、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所（47件）和航天材料及工藝研究所（32件），分別在航體科研院所類申請人申請量占比21.4%、13.8%和9.4%。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的研究是起步比較早的，在蜂窩增強(qiáng)人防護(hù)材料、C/C復(fù)合材料的改性、高溫復(fù)合陶瓷改性等方面均有涉及和建樹。CN101927585[4]公開了一種用于熱防護(hù)系統(tǒng)的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)與陶瓷結(jié)合的蓋板，蓋板包括蜂窩體、上層板、下層板和陶瓷板，蜂窩體、上層板和下層板的材料均為鎳（Ni）基高溫合金、鐵（Fe）基高溫合金、Ni-Fe基高溫合金、鈷（Co）基高溫合金或Nb基高溫合金，陶瓷板的材料為二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）纖維增強(qiáng)材料或Al2O3復(fù)合材料。通過一體化使的設(shè)計(jì)，整個(gè)結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)系統(tǒng)總重量降低了10%～15%，且同時(shí)克服了陶瓷防熱瓦隔熱性能好但存在質(zhì)脆、易脫落變形等確定，金屬熱防系統(tǒng)可靠性高但熱膨脹系數(shù)大的問題。CN106946579A[5]公開一種耐1 500℃的輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦的制備方法，采用一定比例的紅外遮光劑氧化鋯、粘結(jié)劑蔗糖和燒結(jié)劑氮化硼進(jìn)行混合，得到的混合粉體與乙醇溶液進(jìn)行混合，而后將陶瓷纖維溶液與粉料溶液混合得到纖維漿料溶液，將纖維漿料溶液倒入不銹鋼模具中通過真空干燥得到陶瓷隔熱瓦干坯，將硅源和碳源作為前驅(qū)體，乙醇和蒸餾水為共溶劑，采用酸/堿二步催化發(fā)制備硅—碳—氧（Si-C-O）凝膠，使Si-C-O凝膠包覆于陶瓷隔熱瓦干坯的陶瓷纖維表面，通過真空干燥處理獲得凝膠陶瓷瓦干坯，最后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)獲得輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦。所獲得輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦性能與美國航天飛機(jī)上使用的BRI陶瓷瓦相近。CN102795873A[6]的專利公開一種石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復(fù)合材料的方法，首先材料強(qiáng)酸、含鉀強(qiáng)氧化劑、雙氧水對石墨進(jìn)行氧化，通過冷凍干燥獲得氧化石墨粉體，加入相關(guān)溶劑、超聲、離心提純最終獲得高純度的石墨烯，將石墨烯與聚合物涂層作用獲得石墨烯/聚合物涂層溶液，而后將石墨烯/聚合物涂層溶液涂覆于碳纖維表面，碳化處理，即獲得石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復(fù)合材料。通過火焰溫度大于2 000℃的氧乙炔焰燒蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復(fù)合材料與未處理的碳/碳復(fù)合材料的抗燒蝕率提高了40%以上。

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所的CN111285699 A[7]公開了一種輕質(zhì)可重復(fù)使用的防隔熱材料及其制備方法，并公開了制備流程（如圖2）。

其中，燒蝕復(fù)合材料由以質(zhì)量百分比計(jì)為19.9%～99.8%的燒蝕樹脂、0.1%～10%的凝膠固化劑和0.1%～80%的燒蝕填料組成；所述燒蝕樹脂選自由硼酚醛樹脂、鋇酚醛樹脂和高殘?zhí)糠尤渲M成的組；所述凝膠固化劑選自由六次甲基四胺、苯胺、三聚氰胺、對甲苯磺酸、對甲苯磺酰氯和石油磺酸組成的組；和/或所述燒蝕填料為有機(jī)硅樹脂，所述有機(jī)硅樹脂選自由甲基硅樹脂、乙基硅樹脂、甲基乙基硅樹脂、甲基苯基硅樹脂和低聚倍半硅氧烷組成的組。所述陶瓷基體復(fù)合在所述上纖維預(yù)制體層和所述下纖維預(yù)制體層中；所述陶瓷基體選自由氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、莫來石、碳化硅、碳化硼（B4C）、氮化硼（B4N）和氧二硼（B2O3）組成的組。通過實(shí)驗(yàn)顯示，該輕質(zhì)可重復(fù)使用的防隔熱材料重復(fù)使用10次后，線燒蝕為0.32mm，拉伸強(qiáng)度仍可達(dá)到43.1Mpa。

通過對我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的申請人及其技術(shù)的研究可知，我國的航天器熱防護(hù)材料技術(shù)發(fā)展極快，航天研究院所和老牌工業(yè)高校是航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的主力軍，對于航天器熱防護(hù)材料種類的研究具有覆蓋面廣，其研究具有傳承性的特點(diǎn)。

3 我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)專利發(fā)展的建議

通過對我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的專利分析可知，該領(lǐng)域的主要研發(fā)力量還是集中在科研院所和高校，所涉及的相關(guān)企業(yè)少之又少，航天器熱防護(hù)材料也主要存在于軍用，而并未民用化。但是我國的很多企業(yè)不僅具有一定的科研實(shí)力和雄厚資金支持，還具有對市場變化很強(qiáng)的洞察能力，如果企業(yè)能夠?qū)Ω咝？蒲性核M(jìn)行資金扶持，并給出關(guān)于市場變化和未來發(fā)展的預(yù)期，勢必會(huì)大大提高現(xiàn)有的研發(fā)水準(zhǔn)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。

4 結(jié)語

我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)雖然較美國、蘇聯(lián)、日本等國家起步晚，不過目前我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)展較快，但是適應(yīng)于我國航天技術(shù)發(fā)展和需求的航天器熱防護(hù)材料技術(shù)仍有較大進(jìn)步空間。通過對我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的專利技術(shù)的分析，明確了現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展和發(fā)展過程中存在的優(yōu)勢和劣勢，同時(shí)也為我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)指出了方向。制備獲得質(zhì)量更輕的、耐熱能力更強(qiáng)的、剛性更大的航天器熱防護(hù)材料是未來所需。在我國產(chǎn)業(yè)升級、技術(shù)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)下，我國航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)展會(huì)愈加完善，中國的航天事業(yè)的發(fā)展會(huì)愈來愈好，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.006

致謝：第二作者對本文的貢獻(xiàn)等同于第一作者。

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